Как да подобрим параметрите и да намалим размерите на антената Вълнов канал Нанесете U-образни елементи

Как да подобрим параметрите и да намалим размерите на антената Wave Channel? Използвайте U-образни елементи вместо стандартни линейни елементи

От изобретяването през двадесетте години на миналия век на насочената антена UDA-YAGI (известна още катоBвълнаKанален -VK) активните и пасивните елементи се използват почти изключително в линейна форма. С появата на моделиращите компютърни антени започна ерата на използването на антенни елементи със счупена форма, като V-образна, U-образна, W-образна и други. От сумата на предимствата (електрически и механични) най-обещаващи са U-образните елементи. Простите двуелементни антени от P-елементи, наречени "правоъгълник на Moxon-Sebik", са разгледани подробно в литературата, включително в новата книга [1], схемите и параметрите на триелементните са дадени в [2].

Изчисленията показват, че предимствата на P-елементите са най-силно изразени при дългите многоелементни антени. Нека да покажем това на примера на две 4-елементни антени с еднаква дължина, но с елементи с различна форма.В антенатаA(фиг.1) се използват три пасивни P-елемента и Т-образен активен, в антенатаB(фиг.3) всички елементи са линейни. За обхват 20 m изчислената дължина на антената (дължина на стрелата) се приема за 8,3 m - това е дължината, при която е възможно да се възползвате напълно от дадения брой P-елементи. Антените бяха изчислени с помощта на програмата MMANA [3] по отношение на свободното пространство, за да се получи максимално усилване Gh, като се вземат предвид първоначалните изисквания - в честотната лента 14.0 ...част от елементите с дължина ℓср. е съставена от тръби с диаметри 30, 26 и 22 mm и странични части с дължина ℓстрана от алуминиева тел с диаметър 4,4 mm (подробности във файла на антената UT1MA-4Пx20_8.3m) За фиксиране на страничните части можете да използвате диелектрична шина, опъната между краищата на тръбната част на елементите (sho wn в пунктирана линия на фигурата). Фигура 2 показва вариант на рупорна антенаA, която се различава по това, че страничните части са направени от тръба с диаметър 18 mm - тази конструкция се оказва доста твърда и не изисква използването на парапет. Размерите на рогаAса малко по-различни от оригиналния вариант, но параметрите са запазени.

размерите

параметрите

намалим

В антенатаB,, тъй като не представлява практически интерес, за простота са приети елементи с диаметър 30 ​​mm по цялата дължина.

Изчислените стойности на основните параметри на двете антени при честоти 14.00, 14.15 и 14.30 MHz са показани в таблица 1. Коефициентът на усилване на антенатаAпри средната честота на диапазона в сравнение с антенатаBе по-голям с 0,75 dB (!), докато никой от другите показателиAсъщо не е по-нисък. Анализът на диаграмата на насочване на антената показа, че антенатаAсъответства на по-тесен вертикален лоб с θha = 80° срещу θhb = 96° за антенатаB,със същата ширина на хоризонталния лоб θе = 61°.

И каква трябва да е дължината на антенатаB, също състояща се от 4 линейни елемента, за да се изравни усилването с антенатаA? След оптимизация установяваме, че дължината на стрелата на такава антена трябва да се увеличи с 3 м (!) И да бъде 11,3 м. Геометричните размери на антенатаBса показани на фиг.5, изчислените параметри са поставени в таблица 1 (захранвана чрез четвърт вълнов трансформатор 37,5 Ohm).

Нека дадем задача на MMANA да настрои антениA. BиCвключенимаксимална печалба. Оказва се: Gmax A = 7,24 dBd при F / B = 12,8 dB, Gmax B = 7,45 dBd при F / B = 9 dB и Gmax B = 7,84 dBd при F / B = 11,5 dB. Усилването на един P-елемент е по-малко от това на един линеен.

0,13 dB, така че антенатаAпо отношение на Gmax е по-ниска от другите две (но има по-добро „предразположение“ по отношение на параметъра F / B).

Ясно е, че параметрите на антената се определят от величините и фазите на токовете в пасивните елементи, т.е. тяхната настройка (дължина) и позиция на стрелата Също така е добре известно, че настройката за максимално F/B обикновено не е същата като настройката за максимално усилване. Тази позиция се проявява напълно в антенатаB- нейното изчислено усилване е с 1,25 dB по-малко от GmaxB. В антенатаBтези настройки се доближиха и усилването се увеличи значително (по-малко от максимума с 0,87 dB), но това трябваше да бъде "заплатено" със значително удължаване на антената. Но в антенатаA, настройката на високо F / B = 25,3 dB също ви позволява да получите усилване G = 6,95 dB близо до Gmax A (разликата е само 0,29 dB).

Заключение - използването на P-елементи направи възможно максимизирането на потенциала на 4-елементна антена.

Въпреки това можем да кажем, че практическата проверка на P-елементите се състоя и тя премина през антените на състезателната станция UP5G. През 2004 г. Сергей UN9GC "и неговите другари" за първи път направиха две триелементни антени за обхват от 40 м. Резултатите бяха добри и екипът се зае с нов грандиозен проект - те изчислиха, проектираха и произведоха 4-елементна антена за 80 м - MAGiC-480. Първоначално електрическата верига на антенатаA(фиг. 1) беше взета като основа, преизчислена за честота от 3,75 MHz, след което изчислението беше прецизирано за специфични местни условия. Оказа се антена с работещас дължина около 32 m, с елементи с обхват ℓav = 29 ... 34 m от тръби с диаметър 120 mm в центъра и 40 mm в краищата и странични части, изработени от тел с диаметър 4,5 mm. Според потребителите антената работи много добре, както се вижда от спортните успехи - първите места в световни състезания. Тук е правилно да добавим, че ако антената е изградена върху линейни елементи (39 ... 43 m дължина), за да се поддържат параметрите като MAGiC-480, стрелата ще трябва да бъде удължена с още 10 ... 12 метра (!).

Нека се опитаме да разберем защо антенатаAе по-добра по усилване от антенатаB.

Да започнем с рефлектора - ще заменим линейния рефлектор в антенатаBс U-образен. Чертежът на антенатаBp-r след лека настройка е показан на фиг. 4, параметрите са в таблица 1. Може да се отбележи подобрение на всички показатели, включително F / B с 1.8..4.3 dB. За да разберем този ефект, нека разгледаме много накратко проста антена, състояща се от P-рефлектор и линеен активен елемент (AE). С определено разстояние между елементите можете да получите добро потискане в задния сектор на шаблона (F/B> 20dB). Ако се използва линеен рефлектор вместо P-рефлектор, максималното потискане няма да надвишава 11,5 dB (в свободно пространство). Причината е, че при P-рефлектор входното съпротивление на AE е (20..30)% по-високо отколкото при линеен, съответно токът на AE ще бъде по-малък и равен на тока в рефлектора. Остава да зададете желаната фаза на тока в рефлектора ... Можете да използвате U-образен вместо линеен AE (получавате Moxon антена) - ефектът ще остане. При добавяне на допълнителни елементи - директори се запазва увеличеният входен импеданс на АЕ. Можете да проверите това, като разгледате чертежите на антените. Фигура 3 (ант.B -линеен) - за да се получи Ra ≈ 50 Ohm, директорът трябваше да бъде доближен до AE с 1,2 м. Фигура 4 (ант.Bpr) -режисьорът е отделен на 1,45м. не създава изкуствено увеличение на Ra и местоположението му е оптимизирано за получаване на високи параметри.

Интересно е да се направи експеримент - в антенитеB,Bpr иAизчислете F / B с деактивирани директори (в MMANA задайте тези елементи на нулев радиус). Получават се съответно стойности от 10,3, 12,5 и 15 dB. Потенциалната възможност на P-рефлектора да „произведе самостоятелно” F/B от около 20 dB, както виждаме, не се използва, но допълнителните 3..5 dB са много полезни. Макар и само защото те "позволяват" да ориентират по-добре настройката на режисьорите за получаване на висока печалба.

По този начин можем да предположим, че увеличеният (поради използването на P-рефлектор) входен импеданс на AE допринася за получаване на високи стойности на параметъра F/B. В същото време, ако само двата директора (AE и рефлекторът са линейни) се оставят U-образни в четириелементна антена, усилването над линейната антена все още ще остане, макар и в по-малка степен.

Сравнително изчисление на голям брой антени показа, че печалбата от използването на P-елементи също се запазва в 6-7 елементни антени (поне по отношение на параметъра F / B). Като пример, нека да видим как се променят параметрите на добре познатата шест елементна антена - файл 6el20 (nw3z_owa), ако нейният линеен рефлектор се замени с U-образен - файл 6el20PR (nw3z_owa). Изчислението показва, че след лека корекция на размерите на двата елемента, които са най-близо до P-рефлектора, индексът F / B се подобрява в диапазона с 1,3 ... 4,5 dB, усилването се увеличава с 0,1 dB, кривата на SWR остава практически непроменена. Въпреки че промените са малки (имаме предвид, че 3 далечни директори не са се коригирали), тенденцията е очевидна.

Изчисленията показват, че на 20 m лента оптималният размер на средната част на P-елемента е около 7,7 m или ℓav opt ≈ 0,36λ, а на 40 и 80 m ленти ℓav ≥ 0,33 λ може да се счита за приемливо. В 4-елементна антена за обхват от 40 m, в съответствие с принципа на подобие (и изчисленията потвърждават това), замяната на линейни елементи с U-образни ще намали дължината му с 5,5..6 m.

Обмислете възможността за създаване на многолентова антена на базата на антенатаA.

Ако използваме принципа, предложен в [4], т.е. многообхватно използване на всеки пасивен елемент поради включването на съответна намотка или кондензатор в неговия център, е възможно да се получи антена с отлични параметри на ленти 20, 17, 15, 12 и 10m ( Ga = 7 ... 8 dBd, F / B ≥ 20 dB ). Но това ще изисква 20 ... 25 високочестотни релета, така че днес тази опция изглежда сложна и неикономична. Но версията с два диапазона, използваща само едно реле във всеки пасивен елемент и 1..2 релета в активния, изглежда съвсем реално. Като пример, помислете за 4-елементна VK за диапазони от 40 и 20 м. За основа се взема антенатаAв мащаб 2: 1. Това е голяма антена с дължина на елементите 15,4 м и разстоянието между крайните елементи!6,6 м. В центъра на всеки пасивен елемент е включен превключвател, състоящ се от едно реле тип B1B-1B и две намотки. Бобината с обхват 20 m е постоянно свързана между половините на елемента, а на обхват 40 m релето включва паралелно втората намотка. Схемата на превключвателя на активния елемент е дадена на фиг.6.

Основни параметри (надземна височина 41 м):

1 лента 7.0..7.2 MHz Ga = 14.0..14.4 dBd, F/B = 28.2..23.4..20.8 dB, SWR 1.5..1.2..1.95 2 лента 14.0..14.3 Ga = 14.9..15.6 dBd, F/B = 20.9..22.5. .17,8 dB, SWR 1,35..1.02..1.6

Върхът на такъв двулентов дизайн, който дава максимални спестявания, може да бъде антена за 80 и 40 м. Тази опция не се счита тук за недостъпна за по-голямата част от читателите.

Целта на тази статия е да насочи вниманието на радиолюбителите и специалистите към перспективите за използване на елементи "счупена форма" в многоелементни VK антени.